Chemie Die Rolle von wassermeidenden Molekülen bei katalytischen Reaktionen
Elektrochemische Prozesse zu optimieren ist eine der Herausforderungen bei der Entwicklung von Technologien für erneuerbare Energien. Neue Forschungserkenntnisse könnten dabei helfen.
Mit elektrochemischen Verfahren könnte sich CO2 in nützliche Ausgangsstoffe für die Industrie umwandeln lassen. Um die Prozesse zu optimieren, versuchen Chemikerinnen und Chemiker im Detail zu berechnen, welche Energiekosten durch die verschiedenen Reaktionspartner und -schritte entstehen. Wie kleine wasserabweisende Moleküle, etwa CO2, zu den Energiekosten solcher Reaktionen beitragen, haben Forscherinnen und Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und Sorbonne Université in Paris herausgefunden, indem sie die Interaktion der Moleküle in Wasser an der Grenzfläche analysierten. Das Team beschreibt die Ergebnisse in der der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences, kurz PNAS, online veröffentlicht am 13. April 2021.
Für die Arbeiten kooperierten Dr. Alessandra Serva und Prof. Dr. Mathieu Salanne vom Laboratoire PHENIX der Université Sorbonne mit Prof. Dr. Martina Havenith und Dr. Simone Pezzotti vom Bochumer Lehrstuhl für Physikalische Chemie II.
Entscheidende Rolle für kleine wasserabweisende Moleküle
In vielen elektrochemischen Prozessen reagieren kleine wassermeidende Moleküle an Katalysator-Oberflächen, die häufig aus Edelmetallen bestehen. Solche Reaktionen finden oft in wässriger Lösung statt, wobei die Wassermoleküle um die anderen Moleküle sogenannte Hydrathüllen bilden: Sie lagern sich um die anderen Moleküle. In der Umgebung von polaren, also wasseranziehenden Molekülen verhält sich das Wasser dabei anders als in der Umgebung von unpolaren Molekülen, die auch als hydrophob, also wasserabweisend bezeichnet werden. Für diese hydrophobe Hydratation interessierte sich das deutsch-französische Forschungsteam.
Mit Molekulardynamik-Simulationen analysierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die hydrophobe Hydratation von kleinen Molekülen wie Kohlendioxid (CO2) oder Stickstoff (N2) an der Grenzfläche zwischen Gold und Wasser. Sie zeigten, dass die Interaktion von Wassermolekülen in der Umgebung der hydrophoben kleinen Moleküle entscheidend zu den Energiekosten von elektrochemischen Reaktionen beiträgt.
Modell für Berechnung von Energiekosten erweitert
Diese Erkenntnisse implementierten die Forscherinnen und Forscher in die Lum-Chandler-Weeks-Theorie. Mit dieser lässt sich die Energie berechnen, die für das Ausbilden von Wassernetzwerken erforderlich ist. „Die Energiekosten für die hydrophobe Hydratation wurden in dem vorherigen Modell für ein großes Volumen berechnet, hier wurde dieses Modell jetzt auf hydrophobe Moleküle in der Nähe von Grenzflächen erweitert. Dieser Fall war zuvor nicht enthalten“, erklärt Prof. Dr. Martina Havenith, Sprecherin des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation, kurz RESOLV, an der RUB. Mit dem adaptierten Modell können nun die Energiekosten für die hydrophobe Hydratation an der Grenzfläche von Gold und Wasser berechnet werden, und zwar abhängig von der Größe der hydrophoben Moleküle. „Durch den Einfluss des Wassers spielt die Größe der Moleküle eine entscheidende Rolle in der chemischen Reaktion an der Grenzfläche“, sagt Dr. Simone Pezzotti vom Bochumer Lehrstuhl für Physikalische Chemie II.
So sagt das Modell etwa vorher, dass sich kleine hydrophobe Moleküle aufgrund der Interaktionen mit dem Wasser eher an der Grenzfläche sammeln würden, während größere Moleküle weiter entfernt in der Lösung verbleiben würden.
